鋼結構厚板母材及其焊接影響區(qū)的Z向沖擊性能試驗*

王元清，張元元，石永久

(土木工程安全與耐久教育部重點實驗室清華大學土木工程系，北京 100084)

近年來，隨著高層、橋梁及海洋平臺等重要建筑的發(fā)展，不得不越來越廣泛的使用厚板鋼結構，由于結構承載力的巨大及復雜性，連接及構造多樣，鋼材質(zhì)量缺陷或者焊接不合理，環(huán)境溫度過低，容易導致引起Z向破壞。Z向沖擊韌性是衡量鋼結構厚板Z向性能的一個重要指標，雖然未在有關規(guī)范中加以提出，但是，在實際工程中，由于結構經(jīng)常受到動載或者沖擊荷載，比如海洋平臺及大型起重機械和巨型輪船，因而，考慮Z向沖擊韌性是非常有必要的。Z向沖擊韌性目前難以定量評價結構安全與否，但仍然可以用實驗測得的Z向沖擊韌性數(shù)據(jù)作為重要資料來估計厚板抵抗Z向沖擊及斷裂的能力，以后可能作為一個重要方面納入規(guī)范中。各國規(guī)范沒有明確說明Z向沖擊韌性對于厚板Z向性能的重要性。但給出了常規(guī)縱向力學性能(包含沖擊韌性)的要求，以此類推，當結構受到Z向沖擊荷載時，有必要考慮Z向沖擊韌性對結構承受Z向破壞的衡量作用。有關厚板沖擊韌性的文獻有:18 mm板對接接頭在不同焊接工藝下的焊縫金屬及熱影響區(qū)在－20℃及－50℃下的沖擊功實驗［1］;20，30和50 mm厚國產(chǎn)Z向鋼鋼板的橫向及縱向取樣在－80℃到20℃下的沖擊韌性實驗［2］;12 mm厚Q235B超級鋼中厚板單焊道及雙焊道對接接頭的焊縫、熔合線、熱影響區(qū)及母材的沖擊韌度實驗［3］;國家體育場用 100 mm和 110 mm厚Q460E－Z35特厚板在－40℃下的焊縫，熱影響區(qū)及熔合線的沖擊韌性實驗［4］;441 MPa級高強度低合金鋼15MnVNq鋼的板厚，焊接工藝及低溫對沖擊韌性的影響［5］;150 mm厚鋼板對接焊縫的母材、熱影響區(qū)及焊縫區(qū)沿不同厚度位置在不同溫度下的沖擊韌性試驗［6］。

但是，作為Z向沖擊韌性實驗，已有試驗研究比較缺乏。Girenko等［7］比較了縱向、橫向及Z向的厚鋼板的沖擊韌性。Granstron等進行了從厚度方向向軋制方向過渡的不同取樣角度的沖擊試驗［8］;文獻［9］引用了 Hodge 等針對不同含硫量，不同溫度下厚板3個取樣方向的沖擊韌性試驗。本實驗針對類似歐洲規(guī)范，日本規(guī)范，中國規(guī)范的Z向性能指標影響因素:板厚，焊接形式，焊縫厚度。在不同取樣方向進行取樣，在常溫和低溫下進行夏比V形缺口沖擊試驗，從而得到不同影響因素下沖擊韌性變化規(guī)律，此規(guī)律可以綜合拉伸試驗及斷裂試驗結果統(tǒng)一分析鋼結構厚板的Z向性能。

1 試驗概述

1.1 試驗規(guī)范及目的

本實驗參照的規(guī)范有:GB－T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》，GB—T 12778—2008［10］，GB/T 2975—1998《鋼及鋼產(chǎn)品力學性能試驗取樣位置及試樣制備》［11］。

試驗采用夏比V形缺口沖擊試樣，將測得每個試樣的沖擊功，分析沖擊功隨板厚、焊縫尺寸、取樣方法的變化規(guī)律;然后用規(guī)范GB－T 12778—2008(《金屬夏比沖擊斷口測定方法》)［10］對試樣的斷口進行分析。

1.2 試驗材料，取樣方法及試樣尺寸

試驗所用鋼材為舞陽鋼鐵廠生產(chǎn)的Q345B結構用鋼，加工與焊接由二十二冶公司進行，焊接參數(shù)如下:焊接方法為二氧化碳氣體保護焊，焊絲為ER50－6，直徑為1.2 mm，送絲速度為30 ～35 cm/min。

試驗為在母材及十字連接影響下的母材內(nèi)取樣(十字連接采用T形接頭K形坡口全熔透焊)。按照以下2個參數(shù)變化進行取樣:

(1)厚度分別為60，80，100，120 和165 mm5 種。

(2)取樣方向及有無焊縫影響:母材X向(X)，母材板厚中心Z向(Z)，母材1/4厚度Z向(Z#);21，30，39和48 mm焊縫影響下Z向(Z －T1，Z－T2，Z－T3和 Z－T4)。

取樣位置及方法如圖1和圖2所示。

圖1 母材X向及Z向取樣Fig.1 Samples by X and Z direction from base metal

圖2 受到不同尺寸焊縫影響下的母材Z向取樣Fig.2 Samples by Z direction from base metal affected by different size welds

試樣取樣分組情況如表1所示，每種試樣取4個，實驗結果取平均值。

1.3 試驗環(huán)境、設備及參數(shù)

本實驗在清華大學航空航天大學實驗室進行試驗，沖擊試驗器材型號為SANS擺錘式?jīng)_擊試驗機，標準沖擊能量為300 J，如圖3所示。

表1 沖擊試樣取樣后分類表Table 1 Classification of impact samples

圖3 擺錘式?jīng)_擊試驗器材Fig.3 Equipment for pendulum impact test

試樣先在冷凍箱內(nèi)用液氮冷卻至相應溫度，然后迅速放到試驗機上沖斷并讀數(shù)，記錄。試樣應在規(guī)定溫度下保持足夠時間，不小于8 min?？紤]到試樣冷卻后拿出會溫度回升，將冷卻溫度調(diào)至比預定低2℃。

2 試驗結果

2.1 沖擊韌性隨取樣方法變化的試驗結果

沖擊功隨取樣方式變化的試驗結果如圖4所示。

圖4 沖擊功隨取樣方式不同變化規(guī)律Fig.4 Change regulations of A kv from sampling type

(1)從圖4可見:沿X向各厚度鋼板的取樣，沖擊功非常接近，在150～170之間;沿X取樣的沖擊韌性遠大于沿Z向取樣的各類試樣，例如對于60 mm的X向取樣沖擊功約為170 J，遠遠大于Z向取樣值50～70 J，而且這個差距在更厚的板表現(xiàn)得更加懸殊。

(2)對于所有的Z向取樣方式，不論是Z向沿板材中心還是沿板材1/4處，還是受到焊縫影響的沿板材中心，沖擊韌性皆很小，但沒有較大變化，可以認為沿Z向的沖擊韌性已經(jīng)降低到很低的程度，焊縫等因素對已經(jīng)因為Z向取樣降低的沖擊韌性已經(jīng)不是主要因素。

另外，對不同厚度的母材板的Z向取樣，不管是沿1/2厚度，還是1/4厚度，沖擊功并無明顯差別。

2.2 沖擊韌性隨試驗溫度變化的試驗結果

沖擊功隨溫度變化試驗結果如圖5所示。

圖5 沖擊功隨溫度變化規(guī)律Fig.5 Change regulations of A kv from temperature

(1)由圖5可見:隨溫度的降低，X向取樣的沖擊韌性迅速降低，Z向取樣無焊縫和Z向取樣有焊縫影響的試樣也隨之降低，但幅度沒有X向明顯。曲線表現(xiàn)出明顯的S型韌脆轉變特征，從而隨著溫度的降低，材料沖擊韌性表現(xiàn)出明顯的低溫冷脆。

(2)由于Z向試樣本身的沖擊韌性已經(jīng)降低到很低水平，故溫度對其降低程度不如X向試樣明顯，但仍要密切關注溫度對Z向試樣的影響。

圖6 沖擊功隨板厚變化規(guī)律Fig.6 Change regulations of A kv from plate thickness

2.3 沖擊韌性隨板厚變化的試驗結果

沖擊功隨板厚變化試驗結果如圖6所示，其中試驗溫度為20℃。從圖6可見:

(1)隨板厚的增加，各類型試樣的沖擊功皆有穩(wěn)定的下降，各Z向試樣沖擊功隨板厚增加而降低的幅度比 －X試樣略大。

(2)對于60 mm厚的板，對于不同焊縫尺寸影響下母材的Z向，沖擊韌性無明顯變化規(guī)律，故可能在Z向取樣時，焊縫的熱影響對沖擊韌性的降低程度已經(jīng)不是很明顯。

3 韌脆轉變溫度的參數(shù)擬合分析

工程中將韌脆轉變溫度作為防止斷裂的重要依據(jù)。韌脆轉變溫度越高，材料越容易在比較高的溫度下發(fā)生韌脆轉變，從而表現(xiàn)出更明顯的低溫脆性。

對于沖擊試驗來說，沖擊功隨溫度變化的典型曲線為S型，隨著溫度區(qū)域不同分為3個區(qū)域:溫度較高位置的上平臺，較低位置的下平臺以及韌脆轉變溫度內(nèi)下降段。理想的韌脆轉變曲線如圖7所示。

雖然實際中實驗結果離散性可能很大，很難得到如此典型的曲線，但是仍可以采用Boltzmann函數(shù)對沖擊功和溫度的變化關系進行擬合［6，12－14］，Boltzmann公式如下:

其中:Akv為沖擊功(J);T為溫度(℃);A1為下平臺能(J);A2為上平臺能(J);x0為韌脆轉變溫度(℃);d x為轉變溫度的區(qū)間范圍。

對于60 mm厚的3種類型試樣(60－X，60－Z和60－Z－T1)進行Boltzmann函數(shù)擬合，結果見表2。從表2可見:

圖7 典型的沖擊功－溫度曲線Fig.7 Typical A kv～ temperature curve

表2 沖擊功的Boltzmann函數(shù)擬合結果Table 2 Akv fitted by Boltzmann function

(1)對于X向沖擊試樣，不管是上平臺下平臺都大大高于Z向取樣;而對于未受和受到焊縫影響的母材，Z向取樣的上下平臺值非常接近，受到焊縫熱影響的母材Z向沖擊韌性略低。這說明X向沖擊性能大大優(yōu)于Z向，而對于Z向的沖擊韌性，焊縫的影響已經(jīng)不是控制因素。

(2)X向試樣的韌脆轉變溫度(－25.0℃)大大低于Z向試樣的(－15.0℃和－12.0℃)，說明Z向試樣更容易受到溫度降低的影響呈現(xiàn)低溫脆性。

4 試樣斷口分析

4.1 不同取樣類型的斷口分析

對20℃下幾種不同取樣類型的試樣，圖8為斷口宏觀照片，圖9所示為放大1 000倍的電子顯微鏡照片。

圖8 不同類型取樣在20℃下沖擊斷口Fig.8 Fracture of samples tested at 20 ℃

(1)從宏觀看，這4種類型取樣由很明顯的塑性頸縮變形過度到整齊的脆斷。

(2)從微觀看，對于X向取樣，斷口有很明顯的纖維區(qū)，且韌窩分布較密集表現(xiàn)明顯的塑性變形;對于母材的Z向取樣，韌性仍較為明顯;在厚度為21 mm焊縫影響下的母材Z向試樣，漸漸出現(xiàn)解理面，但仍表現(xiàn)出一定的韌性，在一定區(qū)域有兩者的過渡;在厚度為39 mm的焊縫影響下的母材Z向試樣，有明顯的解理面特征，表現(xiàn)出明顯的脆性斷裂。

圖9 不同類型取樣在20℃下沖擊斷口電鏡掃描Fig.9 Electron microscopy scanning of fracture from samples tested at 20℃

4.2 不同溫度下的斷口分析

對60－Z－T1的試樣在20，－20和－60℃下的斷口進行宏觀和電子顯微鏡分析，圖10所示為斷口宏觀照片，圖11所示為放大1 000倍的電子顯微鏡照片。

圖10 60－Z－T1的試樣在不同溫度下的斷口Fig.10 Fracture of 60－Z －T1 samples tested in different temperature

圖11 60－Z－T1的試樣在不同溫度下的斷口電子顯微鏡掃描Fig.11 Electron microscopy scanning of 60－Z －T1 samples tested in different temperatures

(1)從宏觀看，這3種試樣皆表現(xiàn)較大的脆性，尤其是60℃下的試樣為基本沒有變形的整齊切斷。

(2)從微觀看，試樣皆表現(xiàn)出脆性的解理面特征，但是，隨著溫度的降低解理特征更加明顯，解理臺階也越加明顯。

4.3 不同板厚下的斷口分析

對60，120和165 mm厚板的母材Z向取樣60－Z和120－Z和165－Z在20℃下試驗的斷口進行宏觀和電子顯微鏡分析，圖12所示為斷口宏觀照片，圖13所示為放大1 000倍的電子顯微鏡照片。

圖12 不同厚度的母材Z向試樣的斷口Fig.12 Fracture of Z direction samples of different plate thicknesses

圖13 不同厚度的母材Z向試樣的斷口電子顯微鏡掃描Fig.13 Electron microscopy scanning of Z direction samples from different plate thicknesses

(1)從宏觀看，板厚越大，斷口的變形反而更大，可能是取樣不能遍歷各個厚度位置所致。或者由于更厚的板夾雜物的分布較少，脆性較不明顯。

(2)從微觀上看，沒有特別明顯的規(guī)律，120 mm厚的斷口掃描比60 mm有更強的解理面脆性斷裂特征，但165 mm厚的試樣有更多的孔洞和缺陷。

5 結論

(1)Z向的沖擊韌性比X向大大降低，受焊接熱影響后的Z向沖擊韌性更加降低。

(2)板厚增加導致板內(nèi)層狀分布非金屬雜質(zhì)增多，降低材料的Z向沖擊性能。

(3)溫度導致材料的沖擊韌性降低，但對X向的沖擊韌性降低幅度較對Z向大。

(4)母材區(qū)Z向沖擊韌性比熱影響區(qū)要高，焊縫金屬的Z向沖擊韌性略低于母材。

(5)總的來說，Z向取樣，溫度降低，焊縫熱影響增加及板厚增加都會影響結構的沖擊韌性，但是幅度及效果不同，前兩者是最主要因素。

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